JP2003166927A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型プローブ顕微鏡において、プローブと
試料表面との接触を自動回避し、試料表面の三次元形状
を自動測定する。 【解決手段】 プローブが試料表面を走査する間におい
て、プローブの高さを監視することによって、プローブ
と試料表面との接触を自動的に回避するものであり、プ
ローブの高さ制限値を予め設定しておき、走査によって
測定されるプローブのＺ方向の高さと高さ制限値とを比
較し、プローブの高さが高さ制限値に達したときあるい
は超えたときにプローブと試料との間のＺ方向の距離を
広げ、これによって、プローブと試料表面との接触を回
避する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，走査型プローブ顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料表面を微
小なプローブ（探針）で走査することによって三次元形
状を観察する顕微鏡であり、金属，半導体，セラミッ
ク，樹脂等の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，
蒸着膜などの薄膜の観察等の表面観察に用いられてい
る。このような走査型プローブ顕微鏡として、プローブ
と試料表面との間に働く原子間力を測定する原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）が知られている。

【０００３】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、プローブ
（探針）及びプローブを支持するカンチレバーと、この
カンチレバーの曲がりを検出する変位検出系とを備え、
探針と試料との間の原子間力（引力又は斥力）を検出
し、この原子間力が一定となるように探針と試料表面と
の距離を制御することによって、試料表面の形状を観察
する。また、ＸＹ方向及びＺ方向に移動可能なスキャナ
ーを備え、試料とプローブとの間において、ＸＹ方向の
移動よる試料の二次元的な走査とＺ方向のフィードバッ
ク制御による試料の高さ情報の取得によって、試料表面
の形状を測定する。このＸＹ方向の走査及びＺ方向のフ
ィードバック制御は、試料側あるいはプローブ側に設け
た、例えばピエゾ素子等の微小変位可能な駆動機構によ
って行われる。

【０００４】このフィードバック制御による表面形状の
測定には、プローブを試料表面に一定の力で接触させて
測定するコンタクトモードと、プローブを一定の高さに
保つコンスタントハイトモードと、振動させたプローブ
を試料表面とほぼ非接触の状態で測定するダイナミック
モードあるいは小さな振動振幅によるノンコンタクトモ
ードがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
は、試料表面の三次元形状を観察する際、測定レンジに
応じて走査時におけるＺ方向の移動上限が設定されてい
る。例えば、狭い測定レンジではＺ方向の移動上限は低
く設定され、これによって微小な凹凸を高い測定精度で
測定し、他方、広い測定レンジではＺ方向の移動上限は
高く設定され、これによってより大きな凹凸の測定に対
応することができる。

【０００６】しかしながら、試料によっては試料表面の
凹凸の範囲が不明であるものがあり、予想以上に大きな
凹凸がある場合がある。このような試料を走査して観察
するとプローブが試料と接触し、プローブや試料が破損
するおそれがある。

【０００７】そこで、従来、走査型プローブ顕微鏡によ
る試料表面の三次元形状の観察では、オペレータが測定
データを観察し、プローブと試料表面とが接触するおそ
れがあると判断した場合には、マニュアル操作によって
プローブを上昇させて、プローブと試料表面との接触を
回避している。このようなオペレータによるマニュアル
操作をしない限り、プローブは走査を続けることにな
り、プローブと試料表面との接触を回避することはでき
ない。

【０００８】したがって、走査型プローブ顕微鏡による
試料表面の三次元形状の観察では、プローブと試料表面
との接触を避けるために、オペレータによる監視が常時
必要となり、自動測定の支障となっている。そこで、本
発明は前記した従来の問題点を解決し、走査型プローブ
顕微鏡においてプローブと試料表面との接触を自動回避
することを目的とし、さらに、試料表面の三次元形状を
自動測定することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、プローブが試
料表面を走査する間において、プローブの高さを監視す
ることによって、プローブと試料表面との接触を自動的
に回避するものである。本発明の一態様は、プローブの
高さ制限値を予め設定しておき、走査によって測定され
るプローブのＺ方向の高さと高さ制限値とを比較し、プ
ローブの高さが高さ制限値に達したときあるいは超えた
ときにプローブと試料との間のＺ方向の距離を広げ、こ
れによって、プローブと試料表面との接触を回避する。

【００１０】プローブと試料との間のＺ方向の距離は、
プローブを上昇あるいはステージを下降させることによ
って広げることができ、このときのプローブあるいはス
テージの移動は、予め設定した一定距離分だけ上昇ある
いは下降させる形態の他に、予め設定した高さ位置まで
上昇あるいは下降させる形態とすることができる。

【００１１】また、プローブと試料との間のＺ方向の距
離を広げた後の動作は、種々の形態をとることができ
る。一形態は、Ｘ，Ｙ方向の移動及びＺ方向の移動共に
停止させて待機させ、他の形態は、Ｚ方向の高さを広げ
たままの状態で、Ｘ，Ｙ方向の移動を続行してプローブ
を所定位置まで移動させる形態である。

【００１２】本発明の別の態様は、プローブのＺ方向高
さと予め設定した高さ制限値とを比較し、比較結果に基
づいて測定レンジ及び高さ制限値を変更する。はじめに
設定した測定レンジによる測定において、プローブのＺ
方向高さが高さ制限値の範囲を超え、プローブが試料表
面と接触するおそれがある場合には、広い測定レンジに
変更することによって、プローブと試料表面との接触を
回避する。このとき、同時に高さ制限値も変更し、変更
した測定レンジにおいてプローブのＺ方向高さが高さ制
限値の範囲にあるか否かを監視する。高さ制限値は測定
レンジと連動して設定しておくことによって、測定レン
ジと同時に高さ制限値を自動設定することができる。こ
の形態によれば、試料表面に大きな凹凸がある場合であ
っても、プローブが試料表面と接触することなく、試料
表面の三次元形状を自動測定することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
を参照しながら詳細に説明する。はじめに、本発明の走
査型プローブ顕微鏡の第１の態様について説明する。図
１は本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様の概略
を説明するための概略ブロック図であり、図２は第１の
態様による動作を説明するためのフローチャートであ
り、図３は第１の態様による動作を説明するための動作
概略図である。

【００１４】図１において、走査型プローブ顕微鏡１
は、通常の走査型プローブ顕微鏡が備える構成と同様
に、プローブ２、プローブ２の変位を検出する検出手段
３、プローブ２をＸ方向，Ｙ方向、及びＺ方向（高さ方
向）に微小移動するピエゾ素子等の駆動手段４、試料Ｓ
を支持すると共に試料ＳをＸ方向，Ｙ方向、及びＺ方向
に移動するステージ５を備える。駆動手段４及びステー
ジ５は、走査制御手段６と共に走査機構を構成する。

【００１５】走査制御手段６は、駆動手段４あるいはス
テージ５のＸ，Ｙ方向の移動を制御すると共に、検出手
段３で検出した試料表面の高さ情報にフィードバックす
ることに基づいてＺ方向（高さ方向）の移動を制御し、
プローブ２を試料表面に沿って走査する。なお、プロー
ブ２のＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動は、駆動手段４及びステー
ジ５の各移動方向の種々の組み合わせとすることもでき
る。本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様は、走
査型プローブ顕微鏡が通常備える上記の構成に加えて、
プローブの高さを監視してプローブと試料表面との接触
を回避する判定手段８及び設定手段９を備える。

【００１６】判定手段８は、プローブの高さと予め設定
した高さ制限値と比較し、プローブの高さが高さ制限値
に達したときあるいは高さ制限値を超えたときに走査制
御手段６に通知する。走査制御手段６は、プローブの高
さが高さ制限値に達したときあるいは高さ制限値を超え
たことを受けると、駆動手段４あるいはステージ５を駆
動してプローブ２をＺ方向（高さ方向）に上昇させ、こ
れによってプローブ２と試料表面との接触を回避する。

【００１７】設定手段９は、判定手段８の比較処理に用
いる高さ制限値を設定する手段であり、例えば測定する
試料の表面状態に応じて設定することができる。なお、
高さ制限値は、設定手段９で設定する他に、判定手段８
内に予め記録しておくこともできる。

【００１８】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態
様の動作例を図２のフローチャートを用いて説明する。
設定手段９によって、判定手段８に高さ制限値を設定す
る。高さ制限値はプローブがＺ方向（高さ方向）に移動
する上限値を定めるものであり、例えば基準位置からＺ
方向への距離によって定めることができる。高さ制限値
は予め用意しておいた複数の値から選択することができ
る（ステップＳ１）。

【００１９】高さ制限値を設定した後、走査制御手段６
によって駆動手段４やステージ５を制御することによっ
て走査を開始する。駆動手段４あるいはステージ５が
Ｘ，Ｙ方向に駆動することによって、プローブ２は試料
Ｓに対して二次元的に移動する。このとき、検出手段３
は、プローブ２の先端と試料Ｓの表面との距離を検出す
る。走査制御手段６は検出手段３から検出値を取り込
み、プローブ２の先端と試料Ｓの表面との距離が一定と
なるように、駆動手段４あるいはステージ５のＺ方向の
制御を行う。この制御によって、プローブ２は試料Ｓに
表面形状に沿って移動する。測定手段７は、検出手段３
が検出する高さ方向の測定データと走査制御手段６から
得た二次元の位置データに基づいて、試料表面の三次元
形状を測定する（ステップＳ２）。

【００２０】判定手段８は、測定手段７からプローブ２
の高さを取り込んで（ステップＳ３）高さ制限値と比較
し、プローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定す
る（ステップＳ４）。ステップＳ４の判定において、プ
ローブ２の高さが高さ制限値内である場合には走査を続
行し、プローブ２の高さが高さ制限値に達した場合ある
いは超えた場合には、Ｘ，Ｙ方向の移動を止めて走査を
停止し（ステップＳ５）、プローブ２を上昇させる。プ
ローブ２の上昇は、予め設定した一定距離分だけＺ方向
に移動させる他、予め設定した高さ位置まで移動させ
る。

【００２１】なお、前記例では、プローブ２を上昇させ
ているが、ステージ５側を下降させることによってプロ
ーブ２と試料Ｓの表面との距離を広げ、これによってプ
ローブ２と試料Ｓとの接触を回避することもできる。ま
た、プローブ２の上昇とステージ５の下降の両動作を併
用することもできる（ステップＳ６）。

【００２２】なお、判定手段８は、測定手段７からのプ
ローブの高さに代えて、検出手段３からの検出値を用い
て、高さ方向の初期位置からの高さ変動によってプロー
ブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定することもで
きる。

【００２３】図３はプローブの動作を模式的に示したも
のであり、図中の実線は試料Ｓの一断面での表面形状を
示し、一点鎖線ａは高さ制限値を示している。プローブ
２は、走査中（図中の）にプローブ２が高さ制限値に
達すると（図中の）、プローブ２を上昇させ（図中の
）、プローブ２と試料Ｓとの接触を回避する。

【００２４】次に、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第
２の態様について説明する。図４は本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡の第２の態様の概略を説明するための概略ブ
ロック図であり、図５は第２の態様による動作を説明す
るためのフローチャートであり、図６は第１の態様によ
る動作を説明するための動作概略図である。

【００２５】図４において、走査型プローブ顕微鏡１
は、前記した第１の態様が備える構成に加えて測定レン
ジ設定手段１０を備える。なお、以下では第１の態様と
共通する部分の説明は省略する。測定レンジ設定手段１
０は、走査制御手段６及び測定手段７を制御して測定レ
ンジを設定すると共に、設定された測定レンジの大きさ
に対応して設定手段９の高さ制限値を変更する。測定レ
ンジ設定手段１０は、測定レンジの大きさに対応した高
さ制限値を図示しない記録手段に記録しておき、設定さ
れた測定レンジに対応する高さ制限値を記録手段から読
み出して設定手段９に設定する。なお、測定レンジ設定
手段１０は、図示しない入力手段からの指令によって測
定レンジを設定あるいは変更する他、判定手段８からの
信号によって測定レンジを変更する。例えば、プローブ
が高さ制限値を超えたと判定手段８が判定した場合に
は、測定レンジ設定手段１０は大きな測定レンジに変更
すると共に、この測定レンジに対応した高さ制限値を読
み出して、設定手段９に設定する。

【００２６】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態
様の動作例を図５のフローチャートを用いて説明する。
図示しない入力手段によって、測定レンジ設定手段１０
に対して測定レンジを指定し設定を行う（ステップＳ１
１）。測定レンジ設定手段１０は、設定された測定レン
ジを走査制御手段６及び測定手段７に設定すると共に、
設定された測定レンジに対応した高さ制限値を求め、求
めた高さ制限値を設定手段に送る（ステップＳ１２）。
設定手段９は、判定手段８に高さ制限値を設定する（ス
テップＳ１３）。

【００２７】高さ制限値を設定した後、走査制御手段６
によって駆動手段４やステージ５を制御して走査を開始
する。前記ステップＳ２と同様にして、プローブ２を試
料表面に沿って走査し、試料表面の三次元形状を測定す
る（ステップＳ１４）。

【００２８】判定手段８は、測定手段７からプローブ２
の高さを取り込んで（ステップＳ１５）高さ制限値と比
較し、プローブ２の高さが高さ制限値内であるかを判定
する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の判定におい
て、プローブ２の高さが高さ制限値内である場合には走
査を続行し、プローブ２の高さが高さ制限値に達した場
合あるいは超えた場合には、Ｘ，Ｙ方向の移動を止めて
走査を停止し（ステップＳ１７）、プローブ２を上昇、
あるいはステージ５を下降、またプローブ２の上昇とス
テージ５の下降の両動作を併用することによってプロー
ブ２と試料Ｓの表面との距離を広げ、これによってプロ
ーブ２と試料Ｓとの接触を回避する（ステップＳ１
８）。

【００２９】さらに測定を続ける場合には（ステップＳ
１９）、測定レンジ設定手段１０によって測定レンジを
変更すると共に、変更する測定レンジに対応した高さ制
限値を設定しステップＳ１２から工程を続ける（ステッ
プＳ２０）。なお、判定手段８は、第１の態様と同様
に、測定手段７からのプローブの高さに代えて、検出手
段３からの検出値を用いて、高さ方向の初期位置からの
高さ変動によってプローブ２の高さが高さ制限値内であ
るかを判定することもできる。

【００３０】図６はプローブの動作を模式的に示したも
のであり、図６（ａ）は狭い測定レンジＡによる走査状
態を示し、図６（ｂ）は広い測定レンジＢによる走査状
態を示している。また、図中の実線は試料Ｓの一断面で
の表面形状を示し、一点鎖線は測定レンジＡに対応する
高さ制限値ａを示し、二点鎖線は測定レンジＢ（＞Ａ）
に対応する高さ制限値ｂ（＞ａ）を示している。

【００３１】プローブ２は、測定レンジＡの範囲で走査
し、走査中（図６（ａ）中の）にプローブ２が高さ制
限値ａに達すると（図６（ａ）中の）、プローブ２を
上昇させ（図６（ａ）中の）、プローブ２と試料Ｓと
の接触を回避する。

【００３２】この後、測定レンジＡを広い測定レンジＢ
に変更すると共に、高さ制限値をｂに変更し、プローブ
２を試料側に戻して（図６（ｂ）中の）、走査を再開
する（図６（ｂ）中の）。このときの測定レンジは測
定レンジＢに設定されているため、プローブ２は試料と
接触を避けることができる。

【００３３】さらに、プローブ２が高さ制限値ｂに達す
る場合には、測定を停止するか、あるいは、さらに広い
測定レンジ（図示していない）に変更すると共に高さ制
限値も（図示していない）変更することで対応すること
ができる。本発明の第２の態様によれば、試料表面の凹
凸の大きさに応じて測定レンジを変更することができ
る。本発明の態様によれば、プローブの摩耗や破損を防
ぐことができ、また、試料の損傷を防ぐことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、プローブと試料表面との接触を
自動回避することができ、試料表面の三次元形状を自動
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の態様の
概略を説明するための概略ブロック図である。

【図２】本発明の第１の態様による動作を説明するため
のフローチャートである。

【図３】本発明の第１の態様による動作を説明するため
の動作概略図である。

【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の態様の
概略を説明するための概略ブロック図である。

【図５】本発明の第２の態様による動作を説明するため
のフローチャートである。

【図６】本発明の第２の態様による動作を説明するため
の動作概略図である。

【符号の説明】

１…走査型プローブ顕微鏡、２…プローブ、３…検出手
段、４…駆動手段、５…ステージ、６…走査制御手段、
７…測定手段、８…判定手段、９…設定手段、１０…測
定レンジ設定手段、Ｓ…試料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブを試料表面に沿って相対的に走
   査する走査型プローブ顕微鏡であって、プローブのＺ方
   向高さと予め設定した高さ制限値とを比較し、当該比較
   結果に基づいてプローブの走査を停止しプローブと試料
   とのＺ方向の距離を広げることを特徴とする、走査型プ
   ローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 プローブを試料表面に沿って相対的に走
   査する走査型プローブ顕微鏡であって、プローブのＺ方
   向高さと予め設定した高さ制限値とを比較し、当該比較
   結果に基づいて測定レンジ及び高さ制限値を変更するこ
   とを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記高さ制限値は測定レンジと連動する
   ことを特徴とする請求項２記載の、走査型プローブ顕微
   鏡。